Fotoniska integrerade kretsar (PIC) använder fotoner som informationsbärare och förväntas lösa flaskhalsproblemen för mikroelektroniska chips när det gäller hastighet, strömförbrukning och integrationstäthet med deras fördelar med ultrahög överföringshastighet, låg fördröjning och anti-elektromagnetisk överhörning . De är av avgörande betydelse för att främja genombrott inom mikroelektronikteknologi, kvantinformationsteknologi och mikroavkänningsteknologi under "post-Moore-eran".

Driven av tillämpningen av informationsteknologi har fotoniska integrerade kretsar (PIC) gjort stora framsteg. Till exempel är kisel-PIC:er kompatibla med den mogna CMOS-tekniken för låg kostnad och storskalig produktion; Kiselnitrid PICs kunde tolerera måttligt hög optisk effekt och stora tillverkningsfel; Litiumniobat PIC:er kan uppnå perfekta elektrooptiska moduleringar med låg driven spänning och hög linjäritet.

Ett av nackdelarna i dessa PICs är emellertid den monolitiska integrationen av vågledare och fotodetektorer med ett enda material. För att stödja ljustransmissionen i vågledaren kan PIC-materialen inte absorbera den optiska signalen, vilket gör det omöjligt att realisera den integrerade fotodetektorn av ett enda material. För att lösa detta har heterointegrationer av absorberande bulkmaterial (såsom Ge, III-V sammansatta halvledare, etc.) på PIC implementerats. Detta innebär dock fortfarande öppna utmaningar, såsom höga kostnader, komplicerade tillverkningsprocesser och materialgränssnittsproblem.

Nyligen har tvådimensionella (2D) material dykt upp som ett attraktivt fotonabsorptionsmaterial för chipintegrerade fotodetektorer. 2D-material har inga hängande bindningar på ytan, vilket eliminerar begränsningarna för lattice-mismatch för att heterointegrera dem med PIC:er. Familjen av 2D-material har ett rikt utbud av elektroniska och optiska egenskaper, inklusive semimetallisk grafen, isolerande bornitrid, halvledande övergångsmetalldikalkogenider och svart fosfor. As a consequence, chip-integrated photodetectors operating at various spectral ranges could be constructed by choosing appropriate 2D materials.

In a new paper published in Light:Science &Application , a research group, led by Professor Xuetao Gan from Key Laboratory of Light Field Manipulation and Information Acquisition, Ministry of Industry and Information Technology, and Shaanxi Key Laboratory of Optical Information Technology, School of Physical Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, China have reported that integrating van der Waals PN heterojunctions of 2D materials on optical waveguides can provide a promising strategy to realize chip-integrated photodetectors with low dark current, high responsivity, and fast speed.

With the 2D layered structure and no dangling bonds, researchers can stack 2D materials with different properties in different orders by "stacking wood" to form van der Waals heterostructures with atomically flat interfaces. The "arbitrary combination" of van der Waals heterojunctions can not only give the advantages properties of a single material, but also generate novel properties, achieving a leap of 1+1>2. In this research, the researchers made full use of natural p-doped BP and n-doped MoTe₂ for hetero-stacking, and successfully fabricated an efficient van der Waals PN heterojunction.

Also, since there are no dangling bonds on the surface of 2D materials, compared with traditional semiconductors, 2D materials do not need to consider lattice mismatch when integrating with various photonic integration platforms. Finally, the preparation of source-drain electrodes can also be integrated on the photonic platform through the "stacking wood" technology and placed on both sides of the material, without cumbersome processes such as photolithography. This also greatly simplifies the fabrication process of the device and reduces the fabrication cost of the device, avoiding the contamination of the device interface by processes such as photolithography, which greatly improves the performance of the device. + Utforska vidare

2-D-based single photon emitters integrated with CMOS-compatible silicon nitride waveguides